Tre intervalli di frequenza per l'uso delle perle di ferrite

Tra tutti i componenti utilizzati nell'elettronica, c'è un tipo di componente che genera più controversie e fraintendimenti di qualsiasi altro. Questo componente è una perla di ferrite. Questi componenti ingannevolmente semplici sono pubblicizzati come una panacea per l'EMI, come un componente per isolare i binari di alimentazione e come un componente per riconnettere i terreni disconnessi. Sorprendente che un piccolo componente magnetico possa fare così tanto! Sto essendo sarcastico, ovviamente, perché la verità è che le perle di ferrite sono buone per quelle cose solo alcune volte, specialmente quando applicate in un alimentatore o direttamente sui pin di alimentazione dei componenti in PCB ad alta velocità. Quando si tratta di questo gruppo di applicazioni, ci sono tre aree principali dove le ferriti potrebbero essere applicate.

1. Sui pin di uscita dell'alimentatore
2. In serie con i pin VDD sui circuiti integrati digitali
3. Tra due binari di alimentazione forniti dallo stesso regolatore

Questi sono i tre usi più comuni delle ferriti nei circuiti di alimentazione e sui carichi. Ciò che è interessante è che ciò riflette il comportamento delle ferriti in tre possibili intervalli di frequenza: DC (o vicino al DC), frequenze medie che si avvicinano alla risonanza della ferrite e frequenze molto alte a o oltre la risonanza della ferrite.

Tutto Riguarda l'Impedenza di Uscita dell'Alimentatore

L'uso delle ferriti nelle tre situazioni sopra menzionate potrebbe non avere una relazione ovvia con l'impedenza di uscita dell'alimentatore, ma è esattamente ciò che la posizione della ferrite può modificare quando utilizzata come descritto sopra. In generale, è preferibile che l'impedenza di uscita di un alimentatore sia il più bassa possibile affinché non si perda potenza mentre viene fornita dal circuito di regolazione interno alla porta di uscita. Quando un alimentatore deve fornire energia a un circuito integrato digitale con I/O di commutazione veloce, l'alimentatore deve mantenere un'impedenza bassa fino a frequenze il più alte possibile. Questa bassa impedenza deve estendersi nell'intervallo degli MHz elevati per garantire l'integrità della potenza. La posizione di una ferrite sull'uscita da un circuito di alimentazione a scopo di filtraggio aumenterà significativamente l'impedenza di uscita dell'alimentatore vicino alla risonanza della ferrite, come mostrato nelle curve qui sotto. Per saperne di più su questo, guarda questa presentazione di OMICRON Lab sull'impedenza di uscita dell'alimentatore.

Nell'immagine sopra, la curva blu mostra l'impedenza di uscita da un alimentatore con la ferrite presente sull'uscita. Sebbene sia vero che la ferrite filtra il rumore ad alta frequenza che potrebbe condurre attraverso l'uscita del circuito di alimentazione, crea anche due problemi nei sistemi ad alta velocità e nei sistemi RF:

• La ferrite risuona con i condensatori, portando ad un aumento del rumore sui binari di alimentazione
• L'induttanza e la resistenza aggiuntive della ferrite possono interferire con il loop di controllo del circuito di alimentazione

Se si osserva semplicemente la curva di impedenza di una tipica perla di ferrite, questo dovrebbe essere ovvio. L'impedenza raggiunge un picco nelle frequenze medie e diventa principalmente resistiva. Cosa ci si dovrebbe aspettare che accada quando si posiziona una ferrite sull'uscita di un'alimentatore?

Esempio di curva di impedenza di una perla di ferrite per il codice componente BLM18PG121SN1 di Murata.

Ora che siamo armati di queste informazioni, cosa succede nelle tre situazioni in cui le ferriti sono posizionate come sopra descritto?

Risposta Lenta alle Alte Frequenze

Perché la ferrite diventa resistiva vicino alla sua risonanza, interferisce con la capacità dell'alimentatore di rispondere rapidamente quando un carico richiede energia con un tasso di variazione molto rapido. Possiamo dedurlo semplicemente osservando l'impedenza in uscita dell'alimentatore; quando l'impedenza in uscita è alta, è difficile per l'alimentatore rispondere in quella gamma di frequenze. Ciò porterà a fluttuazioni di tensione maggiori quando i transienti sono eccitati sul PDN per un componente digitale.

Tuttavia, questo comportamento è esattamente ciò che vorresti se stai cercando di filtrare qualsiasi rumore ad alta frequenza dall'alimentatore. In altre parole, se l'alimentatore deve fornire solo energia DC, e il tuo carico opera sempre in DC, allora l'alta impedenza in uscita dell'alimentatore alle frequenze medie non importa. Se il carico è sempre in DC, non ci saranno mai richieste di corrente a tassi di variazione rapidi, quindi non dobbiamo preoccuparci del ripple sul PDN, e la ferrite fornirà una bella funzione di filtraggio.

Per saperne di più su questo, guarda il clip da un episodio del podcast con Heidi Barnes di Keysight.

Rumore VDD Sovrapposto ai Segnali di Uscita

Nella sezione precedente, dove una ferrite viene utilizzata come componente di filtraggio sull'uscita di un alimentatore e posizionata su un pin VDD, entrambi contribuiscono a un altro problema osservato sull'uscita dagli I/O su un componente digitale. Quando la ferrite viene messa su un pin VDD, ora sta aumentando l'impedenza dell'intero PDN fino a quel pin. È essenzialmente lo stesso che aumentare l'impedenza in uscita dell'alimentatore, e il risultato è lo stesso rumore nella tensione del PDN.

Un esempio di traccia oscilloscopica nell'istanza in cui il PDN ha un'alta impedenza è mostrato di seguito. Questa alta impedenza può derivare sia da un'eccessiva induttanza che da un'eccessiva resistenza; ricorda che una ferrite fornisce entrambi in diverse gamme di frequenze. Quando l'alta impedenza interagisce con un'alta corrente, il prodotto dell'impedenza e della forma d'onda della corrente dà una forma d'onda della tensione.

Esempio di risultato della misurazione dell'ondulazione del binario di alimentazione per una PDN con alta impedenza alimentata con un segnale di clock di prova. Scopri di più in questo articolo.

In entrambi i casi del ferrite sul pin di uscita dell'alimentatore o sul pin VDD del carico digitale, il rumore viene poi sovrapposto al livello di tensione per i segnali di uscita, che sono direttamente forniti dal pin VDD. Questo è un primo esempio di un problema di integrità dell'alimentazione osservato al pin VDD che diventa un problema di integrità del segnale, e tutto ha origine a causa di un rallentamento del tempo di risposta della PDN quando gli I/O tentano di prelevare grandi correnti attraverso il pin VDD.

Isolamento Tra i Binari

Il posizionamento di un ferrite come elemento isolante tra due binari alimentati dallo stesso regolatore segue la topologia mostrata nell'immagine qui sotto. Qui, abbiamo un singolo regolatore che alimenta due carichi; i binari su ogni carico sono collegati tra loro usando un singolo ferrite, e ogni binario ha la propria capacità.

Diagramma della topologia che illustra il posizionamento del ferrite per l'isolamento tra due carichi alimentati dallo stesso circuito di alimentazione.

Il posizionamento di un ferrite come elemento isolante tra i binari ha risultati misti. Da un lato, posizionare il ferrite aumenta l'impedenza lungo il collegamento, quindi ci si aspetterebbe un rumore maggiore all'uscita del binario isolato. Tuttavia, se il binario principale genera un transitorio, si potrebbe aspettare che il ferrite aiuti a filtrare quel rumore ad alta frequenza e impedisca che raggiunga il binario isolato. Quindi, quale di questi risultati si verifica effettivamente?

La risposta è "dipende". In particolare, dipende dai seguenti fattori:

1. Lo spettro di potenza richiesto dal carico primario
2. Lo spettro di potenza richiesto dal carico isolato
3. La frequenza di risonanza del ferrite

Questo dovrebbe illustrare perché alcuni risultati delle misurazioni su questa materia sono contraddittori; non esiste una regola fissa riguardo al valore della frequenza di risonanza del ferrite da utilizzare in questo caso.

Il motivo di ciò è che il ferrite, come posizionato nella topologia sopra descritta, crea un'impedenza di trasferimento, che è una funzione della frequenza. Pertanto, non c'è un modo semplice per prevedere se il ferrite sia "cattivo" se non con un calcolo della risposta all'impulso, che deve essere fatto in Mathematica, Matlab, o a mano. Se non sei familiare con questo, puoi provare con una simulazione SPICE, oppure puoi costruire una scheda di test e misurarla.

• Scopri di più sull'uso delle perle di ferrite nella simulazione SPICE
• Vedi esempi in cui le perle di ferrite falliscono nell'isolamento

Quali sono i range di frequenza per le ferriti?

C'è molta informazione presentata sopra, quindi penso sia importante collegare il posizionamento delle ferriti con il loro appropriato range di frequenza operativa. La tabella sottostante riassume questi regimi operativi dove le ferriti possono essere utilizzate e dove non dovrebbero essere usate.

Penso che questo ci dia una buona regola empirica per l'uso delle perle di ferrite come elementi di filtraggio del rumore: se i tuoi circuiti intendono operare in DC o solo a basse frequenze, allora molto probabilmente una ferrite andrà bene. Se la tua scheda utilizza digitale ad alta velocità, anche con semplice SPI, non dovresti usare la ferrite per tentare di rimuovere il rumore tra l'alimentazione e i tuoi carichi digitali.

Se hai bisogno di costruire elettronica di potenza affidabile o sistemi digitali avanzati, usa il set completo di funzionalità di progettazione PCB e strumenti CAD di classe mondiale in Altium Designer®. Per implementare la collaborazione nell'ambiente interdisciplinare di oggi, le aziende innovative stanno utilizzando la piattaforma Altium 365™ per condividere facilmente i dati di progettazione e avviare la produzione dei progetti.

Abbiamo solo sfiorato la superficie di ciò che è possibile con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.